循环井水力驱动三维环流数值模拟及循环效果研究

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循环井技术作为一种原位修复手段,因具有费用小、易维护、可与多种修复技术联用等优点,目前已在国外被广泛应用于场地地下水修复。我国对循环井技术的研究始于2012年,但目前仍处于起步阶段,尚且没有成熟的循环井场地应用案例。循环井以地下水流为载体传输修复试剂或捕获污染物,修复效果与水力循环效果直接相关,量化循环井水力环流特征并明晰其受不同因素的影响机制对加深理解循环井水力调控理论促进循环井场地应用及提升修复效果意义重大,然而目前关于循环井水力循环效果受不同因素影响的机制尚不完全清楚。为切实推动循环井技术在我国污染场地的应用进程,分析循环井水力驱动运行效果及其影响因素,完善循环井水力调控理论,对循环井技术在我国的应用和推广具有重要意义。本次研究利用GMS软件构建地下水流动模型以及粒子追踪模型,对循环井驱动地下水的水力循环效果进行了模拟。以循环带横向影响半径(RT)、纵向影响半径(RL)以及粒子回收率(Pr)为循环井水力循环效果表征指标,基于数值模拟结果和灰色关联度法筛选出与循环效果表征指标关联度最强的主要影响因素,并对其敏感性进行分析,确定了数值模拟法预测循环效果应关注的敏感因素。在此基础上逐个分析各主要影响因素对均质潜水含水层中双筛循环井水力循环效果的影响规律。并对水平分层含水层及含透镜体含水层中循环井水力循环效果进行了讨论,分析了水流在介质分层界面处的行为特征,对比研究多滤层循环井分段循环模式和双筛循环井在厚大含水层中形成循环的能力以及多滤层循环井多重循环模式和双筛循环井对低渗夹层的冲刷能力。最后提出了循环井技术在我国的主要适用地区、循环井循环效果估值曲线及循环井技术在场地应用的一般流程。主要取得了以下成果:(1)渗透系数各向异性比(KH/KV)、垂向渗透系数(Kv)、水力梯度(I)、潜水饱和带厚度(M)、抽注流量(Q)、上筛段顶部与下筛段底部间距(L)、两筛段总长(a)是影响循环井水力循环效果的主要影响因素。水力梯度(I)、潜水饱和带厚度(M)及上筛段顶部与下筛段底部间距(L)是对数值模拟结果敏感性最高的因素。(2)循环井场地应避免过厚含水层,循环井上筛段顶部与下筛段底部间距(L)与潜水饱和带厚度(M)一致时循环效果最佳。0.0005-0.001之间是循环井水力调控较为理想的水力梯度。含水层介质渗透性越高,粒子回收率越大,循环带影响半径越小。含水层渗透系数各向异性比(KH/KV)越大,粒子回收率越低,影响半径先增大后减小。适当增大抽注流量能显著提升循环效果。(3)水平分层介质的渗透性会对循环带形状产生明显的影响。循环井位于较薄较短的低渗透镜体中央长期运行时可轻微提升循环带影响半径及粒子回收率。循环井选址应避免过厚的低渗夹层以及过大的低渗透镜体。多滤层循环井在处理特厚含水层和含低渗夹层含水层时具有一定程度的优势。(4)在分析我国水文地质条件的基础上,总体确定各地区循环井的适用地区分布,其中江苏、山东等地循环井应用潜力较大,东北地区、西北地区具有一定循环井应用潜力,湖南、四川等地小部分地区可以考虑循环井技术,西南地区及大部分华南地区不适用循环井技术。此外还设计了一套用于初步估计循环效果的线解图并提出循环井场地设计的一般流程。本论文的研究为循环井水力环流效果的数值模拟刻画、主要影响因素的确定及影响规律分析提供了的理论基础,对循环井优化设计具有指导作用,有助于推动循环井技术在我国的场地应用。
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